本發(fā)明涉及一種采用超聲相控陣檢測R角結(jié)構(gòu)缺陷尺寸的方法，屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

復(fù)合材料R角結(jié)構(gòu)是軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的一種常見結(jié)構(gòu)形式，艦載機(jī)的艙門、壁板等制件中均有R角結(jié)構(gòu)，其他一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件也可能包含有小曲率結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在固化成型過程中，較平面部位更容易因?yàn)闃渲鲃硬痪鶆蚧蚬袒潭炔蛔愕仍蛞鹂紫?、分層、脫粘等缺陷，在纖維填塞區(qū)還容易因?yàn)槔w維填塞不足或樹脂流動不好而形成孔洞缺陷。并且，當(dāng)R角結(jié)構(gòu)內(nèi)部及附近出現(xiàn)缺陷時，制件受力后，缺陷的擴(kuò)展速率要大于缺陷位于層板中的擴(kuò)展速率。因此，對復(fù)合材料R角結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制十分重要。美、英等航空強(qiáng)國，不斷發(fā)展先進(jìn)的無損檢測技術(shù)對R角結(jié)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量把關(guān)，并對其制定了嚴(yán)格的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。我國雖然也認(rèn)識到整體化接頭質(zhì)量檢測的重要性，但重視程度和技術(shù)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于英美國家，已不能滿足我國復(fù)合材料制件快速發(fā)展的需要。盡快提升我國R角結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)水平，扭轉(zhuǎn)檢測技術(shù)與材料發(fā)展不匹配的被動局面，迫在眉睫。

由于R角結(jié)構(gòu)帶有曲率，且使用曲面線陣探頭對其進(jìn)行檢測時，聲波在R角結(jié)構(gòu)中的聲場分布比較復(fù)雜，測量時由于R角結(jié)構(gòu)的聲場寬度對準(zhǔn)確測量影響較大，因此，需要首先對R角結(jié)構(gòu)的聲場寬度進(jìn)行測量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足而設(shè)計(jì)提供了一種采用超聲相控陣檢測R角結(jié)構(gòu)缺陷尺寸的方法，其目的是提供一種能夠準(zhǔn)確測量R角結(jié)構(gòu)中缺陷尺寸的方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

該種采用超聲相控陣檢測R角結(jié)構(gòu)缺陷尺寸的方法，所述R角結(jié)構(gòu)為連接兩個平板平面(1)的單曲率圓弧面(2)，單曲率圓弧面(2)的圓弧曲率半徑大于3mm，小于25mm，單曲率圓弧面(2)的圓弧開口角度大于30°，小于180°，所述單曲率圓弧面(2)沿圓弧方向的截面稱為圓弧截面(3)，圓弧截面(3)的厚度與平板平面(1)的厚度相同，該圓弧截面(3)與上述兩個平板平面(1)垂直，所述超聲檢測裝置包括超聲相控陣檢測儀器(4)、曲面線陣探頭(5)、編碼器(6)和聲場測量用對比試塊(7)，超聲相控陣檢測儀器(4)通過電纜線(8)與編碼器(6)、曲面線陣探頭(5)連接，對比試塊(7)的沿R角延伸方向上的長度大于200mm，該長度方向與圓弧截面(3)垂直，對比試塊(7)的材料、R角結(jié)構(gòu)和制備工藝與被檢測的R角結(jié)構(gòu)相同，其特征在于：該檢測方法的步驟如下：

步驟一、利用對比試塊(7)對不存在缺陷R角結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲相控陣檢測，得到R角結(jié)構(gòu)中的聲場數(shù)據(jù)，即獲得R角結(jié)構(gòu)中各點(diǎn)在圓弧截面(3)上沿圓弧的聲束寬度和沿R角結(jié)構(gòu)的延伸方向的聲束寬度；

所述不存在缺陷R角結(jié)構(gòu)與待檢測的R角結(jié)構(gòu)在材料、結(jié)構(gòu)上相同；

步驟二、對待檢測的R角結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲相控陣檢測，曲面線陣探頭(5)通過水耦合在R角結(jié)構(gòu)內(nèi)部以發(fā)現(xiàn)其中的缺陷并確定缺陷的位置，然后沿R角結(jié)構(gòu)的延伸方向?qū)θ毕葸M(jìn)行相控陣C掃描成像和相控陣B掃描成像，其中，在相控陣C掃描成像中用6dB法測量缺陷在R角結(jié)構(gòu)的延伸方向的延伸成像尺寸和在R角結(jié)構(gòu)的圓弧截面(3)上沿圓弧的表征圓弧成像尺寸；

步驟三、通過相控陣B掃描成像測量缺陷的埋深，并測量出缺陷位置與該缺陷裝置處R角結(jié)構(gòu)圓弧截面(3)的圓心的連線(9)和該缺陷裝置處R角結(jié)構(gòu)的水平線(10)的夾角α；

步驟四、對缺陷在R角結(jié)構(gòu)的圓弧截面(3)上沿圓弧的表征圓弧成像尺寸按以下公式進(jìn)行修正：

式中：x缺陷修正尺寸，r待檢測的R角結(jié)構(gòu)的單曲率圓弧面(2)的曲率半徑，h缺陷埋深，R曲面線陣探頭(5)晶片分布曲率半徑，l缺陷在R角結(jié)構(gòu)的圓弧截面(3)上沿圓弧的表征圓弧成像尺寸；

步驟五、根據(jù)步驟一的測量結(jié)果，查找與待檢測的R角結(jié)構(gòu)中缺陷的埋深和夾角α對應(yīng)位置的在圓弧截面(3)上沿圓弧的聲束寬度和沿R角的延伸方向的聲束寬度；

步驟六、若缺陷沿圓弧的修正尺寸和沿R角的延伸方向的測量尺寸均大于步驟五中查找出來的相控陣探頭聲場在圓弧截面(3)上沿圓弧的聲束寬度和沿R角結(jié)構(gòu)的延伸方向的聲束寬度，則上述沿圓弧的修正尺寸和沿R角的延伸方向的即為缺陷的真實(shí)尺寸。

步驟六中，若缺陷實(shí)際尺寸x小于步驟五中查找出來的在圓弧截面(3)上沿圓弧的的聲束寬度和沿R角結(jié)構(gòu)的延伸方向的聲束寬度中的一個，則缺陷實(shí)際尺寸x不能代表缺陷的真實(shí)尺寸，可采用當(dāng)量法或定值法來重新獲得R角結(jié)構(gòu)中缺陷的尺寸。

步驟一中所述的利用對比試塊(7)對不存在缺陷R角結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲相控陣檢測，得到R角結(jié)構(gòu)中的聲場數(shù)據(jù)的方法是參照在先申請專利的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)，該專利申請的名稱為：R角結(jié)構(gòu)超聲相控陣檢測用曲面線陣探頭的聲場測量方法，專利申請的申請?zhí)枮椋?01610424404.2，專利申請的申請日為：2015年6月15日。該測量方法的步驟如下：

步驟一、在對比試塊(7)的三個相鄰的圓弧截面(3)上、由對比試塊(7)的外表面向內(nèi)加工直徑為1mm的平底孔(8)，相鄰的圓弧截面(3)之間的距離為25mm，每一個圓弧截面(3)上加工三個平底孔(8)，三個平底孔(8)的位置分別位于圓弧截面(3)上圓弧的頂端、中心、底端，三個平底孔(8)的中心線(9)均與該位置處圓弧的切線垂直，所述三個圓弧截面(3)上共加工有九個平底孔(8)，其中：

三個位于圓弧截面(3)上圓弧頂端的平底孔(8)的埋深分別為：

a、0.5mm或圓弧截面(3)厚度的1/3，取兩者中數(shù)值小的；

b、圓弧截面(3)厚度的1/2；

c、圓弧截面(3)厚度的2/3或圓弧截面(3)厚度減0.5mm，取兩者中數(shù)值大的；

三個位于圓弧截面(3)上圓弧中心的平底孔(8)的埋深分別為：

a、0.5mm或圓弧截面(3)厚度的1/3，取兩者中數(shù)值小的；

b、圓弧截面(3)厚度的1/2；

c、圓弧截面(3)厚度的2/3或圓弧截面(3)厚度減0.5mm，取兩者中數(shù)值大的；

三個位于圓弧截面(3)上圓弧底端的平底孔(8)的埋深分別為：

a、0.5mm或圓弧截面(3)厚度的1/3，取兩者中數(shù)值小的；

b、圓弧截面(3)厚度的1/2；

c、圓弧截面(3)厚度的2/3或圓弧截面(3)厚度減0.5mm，取兩者中數(shù)值大的；

步驟二、將對比試塊(7)放置在水槽中，曲面線陣探頭(5)通過水耦合在對比試塊(7)上，設(shè)置曲面線陣探頭(5)的工作方式，掃查間距為0.5mm，采樣信號門的水平位置設(shè)置在平底孔(8)反射回波上，調(diào)節(jié)超聲相控陣檢測儀器(4)的增益，分別使各平底孔(8)的反射信號幅度達(dá)到超聲相控陣檢測儀器(4)的顯示屏滿刻度的80％，并記錄各平底孔(8)的增益值，然后沿對比試塊(7)R角的延伸方向分別對對比試塊(7)中的各個平底孔(8)進(jìn)行相控陣C掃描成像和B掃描成像，在相控陣C掃描成像中，以6dB法測量各個平底孔(8)在對比試塊(7)R角結(jié)構(gòu)的延伸方向的延伸成像尺寸和在對比試塊(7)R角結(jié)構(gòu)的圓弧截面(3)上沿圓弧的表征圓弧成像尺寸，在相控陣B掃描成像中，測量各個平底孔(8)的埋深；

步驟三、將各平底孔(8)的表征圓弧成像尺寸按以下公式進(jìn)行修正，得到各個平底孔(8)沿對比試塊(7)R角結(jié)構(gòu)的圓弧截面(3)上圓弧的圓弧成像尺寸，修正公式如下：

式中：x′為圓弧成像尺寸，r′為對比試塊(7)R角結(jié)構(gòu)的單曲率圓弧面(2)的曲率半徑，h′為平底孔(8)埋深，R′為曲面線陣探頭(5)晶片分布曲率半徑，l′為表征圓弧成像尺寸；

步驟四、如果圓弧成像尺寸X和延伸成像尺寸均大于相應(yīng)的平底孔(8)真實(shí)尺寸，則圓弧成像尺寸X為曲面線陣探頭(5)在對比試塊(7)中相應(yīng)平底孔(8)位置處在圓弧截面(3)上沿圓弧的的聲束寬度，延伸成像尺寸為曲面線陣探頭(5)在對比試塊(7)中相應(yīng)平底孔(8)位置處沿R角的延伸方向的聲束寬度；

如果圓弧成像尺寸X和延伸成像尺寸中有一個小于或等于相應(yīng)的平底孔(8)真實(shí)尺寸，則重復(fù)上述步驟一至三，其中不同之處是在該平底孔(8)的位置上，加工更小直徑尺寸的平底孔(8)，直徑減小值為0.2mm，直到該平底孔(8)的圓弧成像尺寸X和延伸成像尺寸均大于相應(yīng)的平底孔(8)真實(shí)尺寸。

本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：

1、給出R角結(jié)構(gòu)曲面線陣探頭檢測的缺陷測量步驟；

2、提高了R角結(jié)構(gòu)曲面線陣探頭檢測缺陷測量準(zhǔn)確性；

3、為R角結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制提供有力保障。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中聲場測量系統(tǒng)的組成

圖2是實(shí)施例中對比試塊7的第一種結(jié)構(gòu)示意圖

圖3是實(shí)施例中對比試塊7的第二種結(jié)構(gòu)示意圖

圖4是實(shí)施例中對比試塊7的第三種結(jié)構(gòu)示意圖

圖5是實(shí)施例中對比試塊7的第四種結(jié)構(gòu)示意圖

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳述：

參見附圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的待檢測的R角結(jié)構(gòu)的圓弧截面(3)和平板平面(1)的厚度為6mm，單曲率圓弧面(2)的圓弧曲率半徑為5mm，單曲率圓弧面(2)的圓弧開口角度為90°，待檢測的R角結(jié)構(gòu)的材料為碳纖維復(fù)合材料，所述超聲檢測裝置包括超聲相控陣檢測儀器(4)、曲面線陣探頭(5)、編碼器(6)和聲場測量用對比試塊(7)，超聲相控陣檢測儀器(4)通過電纜線(8)與編碼器(6)、曲面線陣探頭(5)連接，對比試塊(7)的沿R角延伸方向上的長度大于200mm，該長度方向與圓弧截面(3)垂直，對比試塊(7)的材料、R角結(jié)構(gòu)和制備工藝與被檢測的R角結(jié)構(gòu)相同，超聲相控陣檢測儀器(4)為M2M超聲相控陣檢測儀器，曲面線陣探頭(5)為5MH、32晶片曲面線陣探頭，該檢測方法的步驟如下：

步驟一、檢測前，利用對比試塊(7)對不存在缺陷R角結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲相控陣檢測，得到R角結(jié)構(gòu)中的聲場數(shù)據(jù)，即獲得R角結(jié)構(gòu)中各點(diǎn)在圓弧截面(3)上沿圓弧的的聲束寬度和沿R角結(jié)構(gòu)的延伸方向的聲束寬度；

所述不存在缺陷R角結(jié)構(gòu)與待檢測的R角結(jié)構(gòu)在材料、結(jié)構(gòu)上相同；

該檢測過程如下：

對比試塊7的結(jié)構(gòu)形式分為以下四種：

對比試塊7的第一種結(jié)構(gòu)如圖2所示，平底孔分布在對比試塊7的三個相鄰的圓弧截面3上，相鄰的圓弧截面3之間的距離為25mm，每一個圓弧截面3上加工三個平底孔8，孔徑為1mm，三個平底孔8的位置分別位于圓弧截面3上圓弧的頂端、中心、底端，三個平底孔8的中心線9均與該位置處圓弧的切線垂直，所述三個圓弧截面3上共加工有九個平底孔8，三個位于圓弧截面3上圓弧頂端的平底孔8的埋深分別為：0.5mm、3mm、5.5mm，三個位于圓弧截面3上圓弧中心的平底孔8的埋深分別為：0.5mm、3mm、5.5mm，三個位于圓弧截面3上圓弧底端的平底孔8的埋深分別為：0.5mm、3mm、5.5mm；

對比試塊7的第二種結(jié)構(gòu)如圖3所示，平底孔分布在對比試塊7的三個相鄰的圓弧截面3上，相鄰的圓弧截面3之間的距離為25mm，每一個圓弧截面3上加工五個平底孔8，五個平底孔8的中心線9均與該位置處圓弧的切線垂直，五個平底孔8的中心線與通過圓弧截面3圓心的水平線的夾角分別為0°、22.5°、45°、67.5°和90°，所述三個圓弧截面3上共加工有十五個平底孔8，第一個圓弧截面上五個平底孔的埋深均為0.5mm，第二個圓弧截面上五個平底孔的埋深均為3mm，第三個圓弧截面上五個平底孔的埋深均為5.5mm；

對比試塊7的第三種結(jié)構(gòu)如圖4所示，平底孔分布在對比試塊7的五個相鄰的圓弧截面3上，相鄰的圓弧截面3之間的距離為25mm，每一個圓弧截面3上加工3個平底孔8，三個平底孔8的中心線9均與該位置處圓弧的切線垂直，三個平底孔8的位置分別位于圓弧截面3上圓弧的頂端、中心、底端，所述五個圓弧截面3上共加工有十五個平底孔8，第一個圓弧截面上三個平底孔的埋深均為0.5mm，第二個圓弧截面上三個平底孔的埋深均為1.5mm，第三個圓弧截面上三個平底孔的埋深均為3.0mm，第四個圓弧截面上三個平底孔的埋深均為4.5mm，第五個圓弧截面上三個平底孔的埋深均為5.5mm；

對比試塊7的第四種結(jié)構(gòu)如圖5所示，平底孔分布在對比試塊7的五個相鄰的圓弧截面3上，相鄰的圓弧截面3之間的距離為25mm，每一個圓弧截面3上加工五個平底孔8，五個平底孔8的中心線9均與該位置處圓弧的切線垂直，五個平底孔中心線與通過圓弧截面3圓心的水平線的夾角分別為0°、22.5°、45°、67.5°和90°，所述五個圓弧截面3上共加工有二十五個平底孔8，第一個圓弧截面上五個平底孔的埋深均為0.5mm，第二個圓弧截面上五個平底孔的埋深均為1.5mm，第三個圓弧截面上五個平底孔的埋深均為3.0mm，第四個圓弧截面上五個平底孔的埋深均為4.5mm，第五個圓弧截面上五個平底孔的埋深均為5.5mm。

然后沿對比試塊7R角的延伸方向分別對對比試塊7中的各個平底孔8進(jìn)行相控陣C掃描成像和B掃描成像，在相控陣C掃描成像中，以6dB法測量各個平底孔8在對比試塊7R角結(jié)構(gòu)的延伸方向的延伸成像尺寸和在對比試塊7R角結(jié)構(gòu)的圓弧截面3上沿圓弧的表征圓弧成像尺寸，在相控陣B掃描成像中，測量各個平底孔8的埋深；

將上述每一個對比試塊7放置在水槽中，曲面線陣探頭5通過水耦合在對比試塊7上，設(shè)置曲面線陣探頭5一次激發(fā)的陣元數(shù)為7，陣元激發(fā)次序?yàn)殚g隔一個晶片依次激發(fā)，聲束工作方式為在R角表面2mm以下聚焦。掃查間距為0.5mm，采樣信號門的水平位置設(shè)置在平底孔8反射回波上，調(diào)節(jié)超聲相控陣檢測儀器4的增益，分別使各平底孔8的反射信號幅度達(dá)到超聲相控陣檢測儀器4的顯示屏滿刻度的80％，并記錄各平底孔8的增益值，然后沿對比試塊7R角的延伸方向分別對對比試塊7中的各個平底孔8進(jìn)行相控陣C掃描成像和B掃描成像，在相控陣C掃描成像中，以6dB法測量各個平底孔8在對比試塊7R角結(jié)構(gòu)的延伸方向的延伸成像尺寸和在對比試塊7R角結(jié)構(gòu)的圓弧截面3上沿圓弧的表征圓弧成像尺寸，在相控陣B掃描成像中，測量各個平底孔8的埋深；將各平底孔8的表征圓弧成像尺寸按以下公式進(jìn)行修正，得到各個平底孔8沿對比試塊7R角結(jié)構(gòu)的圓弧截面3上圓弧的圓弧成像尺寸，修正公式如下：

式中：x′為圓弧成像尺寸，r′為對比試塊7R角結(jié)構(gòu)的單曲率圓弧面2的曲率半徑，h′為平底孔8埋深，R′為曲面線陣探頭5晶片分布曲率半徑，l′為表征圓弧成像尺寸；

如果測量得到的圓弧成像尺寸x′和延伸成像尺寸均大于相應(yīng)的平底孔8真實(shí)尺寸，則圓弧成像尺寸x′為曲面線陣探頭5在對比試塊7中相應(yīng)平底孔8位置處在圓弧截面3上沿圓弧的的聲束寬度，延伸成像尺寸為曲面線陣探頭5在對比試塊7中相應(yīng)平底孔8位置處沿R角的延伸方向的聲束寬度；

如果圓弧成像尺寸x′和延伸成像尺寸中有一個小于或等于相應(yīng)的平底孔8真實(shí)尺寸，則重新加工對比試塊7和重復(fù)上述測試過程，其中不同之處是在該平底孔8的位置上，加工更小直徑尺寸的平底孔8，直徑減小值為0.2mm，直到該平底孔8的圓弧成像尺寸X和延伸成像尺寸均大于相應(yīng)的平底孔8真實(shí)尺寸。

步驟二、對待檢測的R角結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲相控陣檢測，曲面線陣探頭(5)通過水耦合在R角結(jié)構(gòu)內(nèi)部以發(fā)現(xiàn)其中的缺陷并確定缺陷的位置，然后沿R角結(jié)構(gòu)的延伸方向?qū)θ毕葸M(jìn)行相控陣C掃描成像和相控陣B掃描成像，其中，相控陣C掃描成像是6dB法測量缺陷在R角結(jié)構(gòu)的延伸方向的延伸成像尺寸和在R角結(jié)構(gòu)的圓弧截面(3)上沿圓弧的表征圓弧成像尺寸；

步驟三、通過相控陣B掃描成像測量缺陷的埋深，并測量出缺陷位置與該缺陷裝置處R角結(jié)構(gòu)圓弧截面(3)的圓心的連線(9)和該缺陷裝置處R角結(jié)構(gòu)的水平線(10)的夾角α；

步驟四、對缺陷在R角結(jié)構(gòu)的圓弧截面(3)上沿圓弧的表征圓弧成像尺寸按以下公式進(jìn)行修正：

式中：x缺陷修正尺寸，r待檢測的R角結(jié)構(gòu)的單曲率圓弧面(2)的曲率半徑，h缺陷埋深，R曲面線陣探頭(5)晶片分布曲率半徑，l缺陷在R角結(jié)構(gòu)的圓弧截面(3)上沿圓弧的表征圓弧成像尺寸；

步驟五、根據(jù)步驟一的測量結(jié)果，查找與待檢測的R角結(jié)構(gòu)中缺陷的埋深和夾角α對應(yīng)位置的在圓弧截面(3)上沿圓弧的聲束寬度和沿R角的延伸方向的聲束寬度；

步驟六、若缺陷實(shí)際尺寸x均大于步驟五中查找出來的在圓弧截面(3)上沿圓弧的聲束寬度和沿R角結(jié)構(gòu)的延伸方向的聲束寬度，則該缺陷修正尺寸x即為缺陷的真實(shí)尺寸。